Electrostatica
NOTIUNEA DE SARCINA ELECTRICA
Natura electricitatii
Mirajul electricitatii a starnit imaginatia oamenilor inca din antichitate, din vremea lui Thales din Milet cand s-a observat ca unele substante dupa ce sunt frecate de alte materiale pot atrage corpuri mai usoare. Explicarea naturii electricitatii s-a lasat indelung asteptata. Progresele fizicii in acest domeniu incep sa fie evidente spre sfarsitul secolului al XVIII-lea si inceputul secolului al XIX-lea, cand au fost inteprinse experiente mai numeroase, mai ingenioase, iar apoi prin elaborarea teoriei electricitatii pe baza unui aparat matematic din ce in ce mai complex. Teoria electricitatii macroscopice a inceput sa se dezvolte abia dupa conturarea mecanicii clasice si descoperirea calcului diferential si integral si poate fi socotita si incheiata in cursul secolului al XIX-lea. Clarificarea naturii electricitatii, a purtatorului microscopic de sarcina electrica, a devenit o realitate la sfarsitul acestui secol, odata cu semnarea actului de nastere al fizicii atomice.
Corpurile care prin frecare ar capata proprietatea de a atrage alte corpuri au fost numite corpuri electrizate, iar ceea ce confera corpurilor aceasta proprietate a fost numita electricitate. Ïn limitele unor conceptii naive se admitea existenta a doua fluide, unul pozitiv si altul negativ. Care ar conferi corpului electrizat tipul de electricitate. Mai tarziu Benjamin Franklin a presupus ca electrizarea corpului este efectul prezentei sau absentei unui singur tip de fluid: prezenta lui in exces, peste starea electrizata, confera corpului o electricitate negativa, iar absenta lui indica o incarcare cu electricitate pozitiva. Franklin a mai presupus ca fluidul negativ este compus din particule, indicand astfel modul de electrizare a sticlei si a ebonitei, cu 100 de ani inaintea descoperirii electronului.
Dupa cum se stie, in edificiul structurii atomului exista o parte centrala, incarcata pozitiv-nucleul in jurul caruia se misca electroni, la diferite distante.Notand sarcina cea mai mica, cunoscuta, sau sarcina elementara cu e (e>0), s-a stabilit experimental ca sarcina electronului este -e, iar sarcina elementara pozitiva este cea a protonului din nucleu (e). Asadar, in orice particula constituenta a substantelor, atomi, molecule, exista sarcini pozitive si sarcini negative. Daca particula este neutra, atunci n = n . Deci, in procesul de electrizare, daca vor fi smulsi un numar de electroni, corpul respectiv va ramane incarcat pozitiv, iar corpul care ii va prelua se va incarca negativ. O sarcina macroscopica negativa va fi reprezentata printr-un numar intreg de sarcini electronice(q = N e), iar una pozitiva va fi tot un multiplu de e(q = N e). Conditia ca o substanta sa fie neutra este deci N =N
Din punct de vedere al capacitatii de miscare exista sarcini libere si sarcini legate. Primele se pot misca pe spatii limitate in solide, lichide, gaze. Daca numarul de sarcini libere este constant si nu depinde de temperatura, substanta este conductoare. Aceasta este situatia metalelor si a majoritatii aliajelor, in care electroni sunt sarcini libere, sau a electrolitilor in care ionii pozitivi si negativi sunt sarcini libere. Daca punem sarcini in exces acestea se vor distribui pe suprafata. Corpurile in care sarcinile sunt legate de anumite pozitii sunt numite corpuri izolatoare. ai materialele izolatoare exista in toate starile de agregare: gaze inerte, cum sunt He, Ne, Ar (sarcinile sunt legate la nivelul atomului), gaze moleculare si lichide moleculare, cum sunt hidrogenul, oxigenul, respectiv apa, cu sarcini legate la nivelul moleculei sau solide formate din ioni, cum este clorura de sodiu.
Distributia sarcinilor electrice
Ïn conditii normale, in subatante sarcinile pozitive si negative, egale ca marime, sunt distribuite uniform. Introducerea unei distributii neuniforme de sarcini pozitive si negative in corpuri(prin frecare) sau intre parti diferite ale aceluiasi corp (prin influenta) reprezinta un proces de electrizare. Exista o diferentiere intre modul de plasare a sarcinilor electrice, aparute prin electrizare pe de o parte in conductori, pe de alta in izolatorii solizi. Ïn primul caz, sarcina electronica in exces se va distribui pe toata suprafata, in timp ce in izolatori nu se va imprastia, va ramane localizatasi se inmagazineaza in adancime.
De ce se dispune sarcina negativa in exces pe suprafata conductorilor? Raspunsul este legat de faptul ca in metalele in stare neutra sarcina totala a ionilor pozitivi, plasati in nodurile retelei cristaline, este egala cu cea a electronilor liberi. Existenta unui exces de sarcina electronica face sa apara forte de respingere intre electroni, forte dirijate din interior spre exterior, ceea ce duce la expulzarea sarcinilorin exces spre suprafata conductorului.
CAMPUL ELECTRIC
Generalitati
Descrierea matematica a interactiunilor electrostatice a implicat introducerea marimii ssarcinii electrice prin intermediul unor marimi mecanice. Fenomenul insusi este influentat de mediul in care sunt plasate sarcinile, de aceea se poate trage concluzia ca el se exercita efectiv printr-o forma a materiei, o forma care nu mai este perceputa direct de simturile noastre. ïntocmai ca in cazul atractiei universale, se constata ca in jurul unei sarcini electrice, in fiecare punct dintr-o regiune a spatiului, se poate exercita o forta de natura electrica; se spune ca in acea regiune exista un camp de forte electrice. Cu alte cuvinte, o sarcina electrica isi exercita actiunile electrostatice asupra altor sarcini situate in spatiul inconjurator prin intermediul unei stari a materiei numita camp electric. Sintetizand, se poate da urmatoarea definitie:campul electric este o forma de existenta a materiei, prin intermediul careia sarcinile electrice interactioneaza intre ele.
Campul electric in zona varfurilor
Numeroase experiente au aratat ca in regiunea varfurilor corpurilor conductoare electrizate exista o mare concentratie a liniilor de camp, ca ele sunt deci sediul unor campuri electrice foarte intense. O explicatie riguroasa este greu de prezentat in paginile de fata, dar acest fenomen ar fi de inteles daca facem o analogie cu actiunea legii curgerii stationare a unui lichid printr-un tub ce prezinta unele gatuiri. Ïn zona acestora, viteza curentului este mai mare in raport cu portiunile cu diametru mai mare. Ïn cazul varfurilor, prezenta sarcinilor electrice in portiunile ascutite creeaza o densitate de sarcina superficiala, mai mare decat in portiunile netede, deci si un camp electric mai intens. Datorita acestor campuri electrice puternice, pot fi smulsi electroni din moleculele aerului inconjurator si prin varfuri se produce o scurgere de electricitate; pe un varf ,,vin' sau ,,pleaca' electroni, dupa cum varful este incarcat pozitiv sau negativ. Pe acest principiu poate fi construita o morisca dintr-un brat metalic cu doua capete ascutite, ce se poate roti in jurul unui suport izolator. Sa incarcam lama metalica cu electricitate pozitiva. Din cauza campului electric puternic la capete, electronii smulsi din moleculele aerului se indreapta spre morisca, o lvesc si se depun pe ea. Prin lovire, se transfera acesteia impulsul castigat pe spatiul de accelerare parcurs de la aparitia lor si pana la depunere, astfel incat morisca incepe sa se roteasca.
O aplicatie practica foarte importanta a varfurilor conductoare incarcate electric o constituie filtrul electrostatic, care are functia de a purifica aerul din incinte inchise sau de a retine particulele eliminate pe cosurilor fabricilor de ciment sau de alta natura. Prin ionizarea particulelor din jur, acestea sunt atrase spre varfuri pe care se depun. Filtrul este curatat din cand in cand pentru a fi reutilizat.
Mecanisme de electrizare.
Metode experimentale de electrizare .
Antichitatea cunostea doar doua metode de electrizare: electrizarea prin frecare, descrisa de Thales din Milet si care a determinat construirea primei masini de electrizare de catre Otto von Guericke; vechii hindusi cunosteau proprietatea de electrizare a unor cristale in urma incalzirii, azi denumita piroelectricitate. Dupa secolul al XVIII- lea au mai fost gasite si alte moduri de electrizare: electrizarea prin contact, prin influenta; electrizarea norilor, proces deosebit de complex. Au fost descoperite ulterior si alte mecanisme de obtinere a electricitatii: pila Volta, termoelectricitatea, razele catodice, emisia termoelectrica, fotoelectricitatea, radioactivitatea, emisia electronica in urma unor reactii violente.
Prin frecarea a doua substante este posibil ca electronii de valenta ai atomilor unei substante sa fie rupti de legaturile lor si sa treaca pe cealalta. Nu este prea usor de stabilit mecanismul intim care are loc la frecare, deoarece este greu de crezut ca o simpla activitate mecanica ar duce la ionizare. Este posibil sa avem de-a face cu o ionizare termica produsa de caldura ce se degaja prin frecare. Nu trebuie neglijat si rolul substantelor ce intra in joc: unele au afinitate mai mare pentru electroni, altele au o afinitate mai mica. Este evident ca cle din prima categorie vor accepta parte din electronii cedati de cle din categoria a doua si corpurile se vor incarca in mod egal cu acceasi cantitate de electricitate. Aceste modificari se datoresc interactiunii campului electric exterior cu particulele constituiente ale substantelor, interactiuni care nu pot fi simplu descris. Exista o clasa de substante care in camp electric se polarizeaza , adica capatul indreptat spre armatura pozitiva devine negativ si invers. Aceste materiale sunt dielectrici care nu trebuie confundati cu izolatorii. Polarizaera dielectricului poate fi indus de un camp electric sau poate exista in mod spontan.
Sunt de retinut unele proprietati si obsrvatii referitoare la producerea electricitatii prin frecare: cand se freaca doi dielectrici, corpul cu pemetivitatea dielectrica mai mare se incarca cu electricitate pozitiva.
Electrizarea prin contact are loc la contactul a doi sau mai multi conductori aflati la potentiale diferite; unii dintre ei pot chiar sa fie neutri inaintea contactului, trebuie precizat ca trecerea sarcinilor la contactul a doua corpuri are loc numai atunci cand potentialele sunt diferite si ca aceasta trecere continua pana cand se egaleaza cele doua potentiale. In momentul egalizarii, deplasarea globala de sarcina inceteaza. Egalizarea prin contact poarte fi inteleasa mai bine daca se compara starea celor doua corpuri, unul incarcat la inceput,si celalalt neutru, cu doua vase, unul avand apa, celalalt fiind gol, care comunica printr-un robinet montat pe linia de legatura.
Electrizarea prin influenta are loc la apropreirea unui corp incarcat de unul neutru. La capatul corpului neutru, mai apropiat de cel electrizat, va aparea electricitate de semn opus, iar la capatul mai indepartat va apare electricitate de acelasi semn si in aceeasi cantitate cu cea acumulata la celalalt capat. Electrizare prin influenta depinde de corpul studiat. Cand se atinge sfera cu degetul sau cand se leaga la pamant, se scurg sarcinile de acelasi semn cu cea a corpului incarcat daca semnul este negativ, dar vin electroni din pamant daca semnul este pozitiv si sfera ramane incarcata, chiar dupa indepartarea corpului care a produs influenta.
Feroelectricitatea
Feroelectricitatea este o proprietate extrem de interesanta, pe care o poseda unele substante, dintre care cel mai cunoscut este titanatul de bariu(BaTiO ). Acesta proprietate consta in existenta unei polarizari spontane, in interiorul unor cristale, in absenta campului electric exterior. Feroelectricitatea a fost descoperita inb 1921 de Valasek, pe sarea Rochelle, care a fost preparataprima data in secolul al XVII-lea de doctorul Seignette ca. laxativ. De aceea, in Europa aceasta ordine spontana este numita si seignettoelectrcitate. Denumirea de feroelectricitate i-a fost atribuita prin analogie cu feromagnetismul, care este proprietatea unor metale si aliaje de a avea ordine magnetica spontana.
Campul electric joaca un rol in aceste materiale, deoarece in absenta lui substanta nu apare polarizata spontana, adica nu poseda un capat pozitiv, iar celalalt negativ. Fizicienii au demonstrat ca ordinea feroelectrica exista permanent, in anumite materiale, pe reginui mici, numite domenii feroelectrice , dar acestea sunt orientate astfel incat, in ansamblu, substanta nu ne apare polarizata.
Trebuie precizat ca ordinea feroelectrica este stabila numai pana la o anumita temperatura, caracteristica fiecarei substante. Pentru aceasta temperatura ordinea dispare si substanta se comporta ca un dielectric format din dipoli dezordonati. Mentionam aici ca exista feroelectrici fara temperatura de tranzitie, deoarece temperatura de topire este suficient de scazuta pentru ca materialul sa se topeasca inaintea disparitiei ordinii feroelectrice.
